РЕАГЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ БУМАЖНЫЕ ТЕСТЫ НА ОСНОВЕ ХРОМОГЕННЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗ И СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N31/22 G01N33/52 

Изобретение относится к аналитической химии, конкретно к химическим индикаторам на твердых носителях и может быть использовано для экспрессного определения предельно-допустимых и опасных концентраций органических и неорганических веществ в питьевой воде, поверхностных водах суши, сточных водах; почве; пищевых продуктах; а также патологических концентраций веществ в биологических жидкостях.

Известны Меркоквант-Тесты (Merckoquant-Tests, Merck, Darmstadt, s.96) или экспресс-тесты (Feng, G, CN 87, 102, 722, 1987; CA, 1989, 111, 140657 e), представляющие собой полимерную полоску, на конце которой на поверхности прикреплена реактивная бумажная зона всей своей поверхностью, содержащая адсорбированные аналитические реагенты: для определения органических и неорганических веществ. (Merckoquant. Tests, Merck, Darmstadt, s.96, Feng, G, CN 87, 102, 722, 1987; С.А., 1989, 111, 140657 e, Halamek E, Prikryl F, Tesarec J. Cesk. CS 240787, 1987, Патент ФРГ N 2107879, кл. G 01 N 31/22, 1978. Авт. свид. СССР N 1659803, кл. G 01 N 31/22, 1991; 1991; Merck, Schnelltest Handbuch, Darmstadt, E. Merck 1986, 288 S).

В большинстве случаев тест-реакции сорбированных на целлюлозных носителях реагентов с определяемыми органическими и неорганическими веществами проводят погружением тест-средства в анализируемый раствор на 1-2 с, так как более длительная экспозиция может привести к размыванию и вымыванию веществ с матрицы; при этом квота раствора, попадающая на реакционную зону тест-средства, может составить не более 1-2 капель, т.е. 2-50 мкм; такая же квота используется при нанесении на тест-средство анализируемого раствора; поэтому чувствительность тест-определения может быть достигнута лишь на уровне 1 мкг в такой пробе, что тождественно концентрации 10 мг/л. Такая чувствительность не может обеспечить определение предельно-допустимых и опасных концентраций большинства токсичных органических и неорганических веществ в окружающей среде.

Основным недостатком известных реагентных индикаторных бумажных тестов с адсорбционно закрепленными на бумаге-основе реагентами является то, что адсорбционное закрепление не обеспечивает прочности удержания реагентов на матрице при различных по времени и количеству пробы режимах контакта тест-средства с анализируемым раствором и не позволяет достигнуть необходимой чувствительности и селективности определения, например определения предельно-допустимых и опасных концентраций большинства токсичных и органолептических органических и неорганических веществ в широком концентрационном диапазоне.

Таким образом, каждый из известных реагентных индикаторных бумажных тестов имеет свои преимущества и свою область применения. Однако ни один из них не может обеспечить одновременного сочетания требуемых метрологических характеристик и таких функциональных параметров, которые дают возможность повысить чувствительность и расширить диапазон определяемых концентраций токсичных и органолептических органических и неорганических веществ в жидких средах окружающей среды.

В основу изобретения положена задача создания реагентных индикаторных бумажных тестов (РИБ-тестов), состав и форма которых обеспечивают экспрессный тестовый метод высокочувствительного количественного, полуколичественного и качественного определения токсичных и органолептических органических и неорганических веществ в жидких средах.

Поставленная задача достигается реагентными индикаторными бумажными тестами (РИБ-тесты) на основе хромогенных целлюлоз: 4-аминобиарилилен-4'-аминоцеллюлоз и их функциональных производных с имино-, диазо-, аммоний-, гидразино-, формил-, гидрокси-, арилазо-, аминоарилазо-, гидразоно-, формазано-, тетразолий-группами общей формулы

где

n =(2000-16000)/m, m=5-60;

где
R₁ - R₄ - H, Me, OMe; R=-NH₂; ; X=Cl, MeCOO, BF₄, SO2-4

;
R₁ - R₄ - H; R =-NHNH₂; -HC=O; OH; R =-N=N-Ar₁: Ar₁=-C₆H₄-OH-4, -C₆H₄-NH₂-4, -C₆H₄-NHAc-3-OH-4, -C₆H₄-di-2,4-NH₂; -C₆H₄-NH₂-2-NHPh-4, -C₆H₄-OH-4-HCO-3;
R₁= R₂= R₃- H, R =-NH₂ или -OH, R₄ = -N=N=Ar₂: Ar₂ = -C₆H₄-COOH-2(и-4), -C₆H₄-SO₃H-2(и-4), -C₆H₄-NO₂-4, -C₆H₄-di-NO₂-2,4; R₁ - R₄ = H, R = -NHN= CPhR₅, R₅=H, COOH, -N=N-Ar₃, , Ar₃ = Ph, -C₆H₄NO₂-4
в форме первичных измерительных преобразователей: полос шириной 8-16 мм и дисков 8-45 мм с удельной массой 60-240 г/м²; а также способом получения хромогенных целлюлоз последовательной обработки эпоксидированной целлюлозы активными реагентами, отличающимся тем, что в качестве первичных активных реагентов используют бензидины общей формулы

где
R₁ - R₄ = H, Me;
R₁ и R₂ = H; R₃ и R₄ = Me, OMe,
Достоверность способа подтверждается тем, что параллельное проведение реакций на целлюлозе, пропитанной бензидином, приводит к полному вымыванию с нее продуктов цветных реакций.

Преимуществом изобретения поясняются примерами РИБ-тестов и рецептур их получения, а также примерами методик определения органических и неорганических веществ с помощью РИБ-тестов, в которых оценка цветовых переходов осуществлена разными способами: визуально по цветовым компараторам, отградуированным по концентрациям определяемых веществ, а также по коэффициентам отражения или пропускания с помощью соответственно рефлектометра или калориметра.

Пример 1. РИБ-тест на основе 1(2)-[(4-амино-3,3',5,5'-тетраметилбифенилилен) -4'-амино]-2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (1).

На 100 мас.ч. эпоксидированной целлюлозы в форме бумаги наносят 1 мас. ч. 3,3',5,5'-тетраметилбензидина. Получают 1(2)-[(4-амино-3,3',5,5'-тетраметилбифенилилен) -4'-амино] -2(1)- гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозу [тетраметилбензидинцеллюлозу (1)] в форме белой реактивной индикаторной бумаги (РИБ) с удельной массой 80 г/м². РИБ-Хлор-Тест изготовляют путем резки РИБ на полосы шириной 9,8 ± 0,05 мм и длиной 4 см. При контакте РИБ-хлор-тест с хлором его реакционная зона окрашивается в голубой цвет. Спектры пропускания и оптическая плотность голубой зоны представлены на фиг. 1.

Пример 2. Процедуры определения хлора с помощью реактивной индикаторной полосы РИБ-хлор-тест и устройства для концентрирования.

Анализируемый водный раствор помещают в стакан вместимостью 50 см³, с буферным раствором или уксусной кислотой, при перемешивании устанавливают по универсальной индикаторной бумаге pH 4-6 и пропускают по 5 см³ полученного раствора в течение 1 мин через зону диаметром 6 мм полосы бумаги с помощью карманного индикаторного устройства для концентрирования. Полосу помещают на белую пластину и определяют концентрацию свободного хлора путем оценки интенсивности цветового пятна индикаторной полосы диаметром 6 мм по стандартной цветовой шкале образцов сравнения цветового компаратора, построенной по полиграфическим шкалам охвата ТУ 29.01-91-83 4-красочного синтеза и отпечатанной офсетным методом с помощью триады красок европейской гаммы по ОСТ 29.66-80 (таблица 1).

Диапазон определяемых массовых концентраций - (0,1 ... 5) мг/дм³ при прокачке 5 см³ анализируемого раствора через реактивную индикаторную зону РИБ-хлор-теста. Предельно допустимая концентрация (ПДК) активного хлора в питьевой воде - 0,3 мг/дм³. В питьевой водопроводной воде возможно обнаружение активного хлора с помощью РИБ-тест меньше 0,1 мг/дм³.

Пример 3. РИБ-пероксид-тест на основе 1(2)-[(4-амино- 3,3', 5,5'бифенилилен)-4'-амино]-2(1)- гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (I).

РИБ-пероксид-тест получают как в примере 1 с тем отличием, что реакционную зону пропитывают 1%-ным раствором пероксидазы в буферном растворе с pH 4-5. Цвет полос белый, в присутствии перекиси - голубой. Чувствительность 0,1 мг/дм³.

Пример 4. РИБ-тест I на основе 1(2)-[(4-амино-бифенилилен)- 4'-амино]-2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (II) (бензидинцеллюлозы) для определения окислителей.

Бензидиноцеллюлозу II получают как в примере 1 с тем отличием, что эпоксидированную целлюлозу обрабатывают бензидином. Продукт реакции с гипохлоритом при pH 5 имеет оранжевый цвет, спектр его пропускания см. на фиг. 2.

Пример 5. РИБ-тест II на основе 1(2)-[(4-аминобифенилилен)- 4'-амино]-2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (II) для определения суммы токсичных соединений по реакциям окислительной конденсации.

РИБ-тест II, как в примере 4, с тем отличием, что реакции конденсации с фенолом и анилином проводят при pH 9-10 в присутствии гексацианаферрата (III) [K₃(FeCN₆)], а с хинонами, например, с 1,2-нафтохиноном-4-сульфонатом - без окислителя, причем во всех случаях образуются продукты коричнево-фиолетового цвета, чувствительность 0,1 мг/дм³.

Пример 6. РИБ-тест III на основе 1(2)-[(4-диазобифенилилен)- 4'-амино] -2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (III) для определения соединений, активных в реакциях азосочетания.

Бензидинцеллюлозу II обрабатывают водным раствором с pH 1, содержащим 0,1% нитрита натрия и 0,1% тетрафторбората натрия при 0^oC в течение 10 мин. Получают диазоцеллюлозу III, которая образует красители с различными азосоставляющими (таблица 2). Например, с фенолом при pH 7-8 образует азосоединение с широким максимумом кривой спектра пропускания при 400-460 нм (фиг. 3). На рефлектометре с голубым светодиодом коэффициенты диффузного отражения для концентраций: 0; 0,01; 0,1; 0,5; 1 мг/дм³ и объеме пробы 10 см соответственно равны 113, 104, 95, 89, 82. При pH 4 диазоцеллюлоза III не взаимодействует с фенолом, а дает цветную реакцию с анилином.

В таблице 2 представлены примеры цветных реакций РИБ-тест III с органическими соединениями.

Пример 7. РИБ-альдегид-тест на основе 1(2)-[(4-гидразинобифенилилен)- 4'-амино]-2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (IV).

1(2)-[(4-Диазобифенилилен)-4'-амино] -2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозу (III) погружают на 5 мин в концентрированный солянокислый раствор дихлорида олова, затем промывают соляной кислотой и водой. Получают гидразиноцеллюлозу (IV) белого цвета, которая дает с бензальдегидом продукт желтого цвета λ_макс 400-410 нм. Чувствительность реакций при пробе раствора 20 см³ составляет 0,1 мг/дм³.

Пример 8. РИБ-формальдегид-тест.

РИБ-формальдегид-тест состоит из слоя 1(2)-[(4-гидразинобифенилилен)- 4'-амино] -2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (IV) и из слоя диазоля, причем продукт реакции гидразина с формальдегидом далее дает цветную реакцию с диазолем с образованием продукта оранжевого, красного или фиолетового цвета.

Пример 9. РИБ-pH 11-13-тест на основе 1(2)-[(4-амино-3-(4''- нитрофенилазо)-бифенилилен)-4'-амино]-2(1)-гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозы (V).

Бензидиноцеллюлозу II обрабатывают 1%-ным раствором 4-нитродиазобензола. Получают целлюлозу V, обладающую свойствами кислотно-основного индикатора с интервалом pH перехода 11-13 от желтого цвета к черно-фиолетовому цвету соответственно с минимумами спектров пропускания при pH 10: 400 нм, при pH 13: 540-560 нм. Цветовые переходы многократно обратимы без изменения спектральных характеристик.

Пример 10. РИБ-тест IV на восстановители.

РИБ-тест IV готовят путем обработки диазоцеллюлозы III раствором 4-нитрофенилгидразона фенилглиоксалевой кислоты (таблица 2) при pH 9-10. Полученный продукт 1(2)-4''-{ 1-[4'- бифенилилен]-3-фенил-5-(4'-нитрофенил)-формазан} -амино-2(1)- гидрокси-(н-пропокси) -α- целлюлозу фиолетового цвета окисляют N-бромсукцинимидом до обесцвечивания, наступающего в результате образования 2H-тетразолиевой соли, которая обратно восстанавливается сульфидом натрия до исходного формазана с переходом желтовато-белой окраски в фиолетовую. Реакция обратима.

Реактивные индикаторные бумажные тесты и продукты их взаимодействия с определяемыми хлором, перекисью водорода, ароматическими аминами, фенолами, гидразинами, альдегидами, хинонами, протонами равномерно окрашены, не размываются в кислых и щелочных водных растворах, в органических растворителях, например, этаноле, ацетоне, диметилформамиде. Это позволяет увеличивать объем пробы анализируемого раствора и время контакта с ним, что дает возможность повысить чувствительность определения перечисленных веществ с помощью предлагаемых РИБ-тестов по крайней мере в 5-10 раз по сравнению с известными индикаторными бумагами для тех же определений.

В таблице 3 приведены примеры сравнения чувствительности ряда РИБ-тестов и ранее известных тестов.

Источники информации
1. Merckoquan-Tests. Teststabchen zur halbquantitati ven Bestimmung von Ionen und Verbindungen, Merck, Darmstadt, s. 96.

2. Feng, G.; CN 87, 102, 722, 1987; C. A., 1989, 111, 140657 e.

3. Halamek, E.; Prikryl, F.; Tesarek, J.; Cesk. CS 240787, 1987.

4. Rupe, C.; Bauer, R.; Ger. pat. 2107879, 1978.

5. Авторское свидетельство СССР 1659803 A1, 1991.

6. Merck, Schnelltest Handbuch, Dartstadt, E. Merck, 1986, p. 1-288.

Изобретение может быть использовано для экспрессного определения предельно допустимых и опасных концентраций органических и неорганических веществ в питьевой воде, поверхностных водах суши, сточных водах, почве, пищевых продуктах, а также патологических концентраций веществ в биологических жидкостях. РИБ-тесты выполнены в форме первичных измерительных преобразователей : полос шириной 8-16 мм и дисков 8-45 мм с удельной массой 60-240 г/м² на основе хромогенных целлюлоз , полученных последовательной обработкой эпоксидированной целлюлозы активными реагентами. При этом в качестве первичных активных реагентов используют бензидины формулы I, где R₁, R₂, R₃, R₄ = Н, Ме; R₁, R₂=Н; R₃, R₄= Ме, ОМе. Достигается повышение чувствительности определения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. 3 табл.

к

1. Реагентные индикаторные бумажные тесты (РИБ-тесты) на основе хромогенных целлюлоз - 4-аминобиарилилен-4¹-аминоцеллюлоз и их функциональных производных с имино-, диазо-, аммоний-, гидразино-, формил-, гидрокси-, арилазо-, аминоарилазо-, гидразоно-, формазано-, тетразолийгруппами общей формулы

где
n = (2000 - 16000)/m;
m = 5 - 60;

где R₁ - R₄ - H, Me, DMe; R = -NH₂; -N⁺≡ NX^-; X - Cl, BF₄, MeCOO^-, SO2-4

/2
R₁ - R₄ = H, R - -NHNH₂; -HC = O; OH; R = -N = N - Ar₁, Ar₁ -C₆H₄ - OH - 4, -C₆H₄ -NH₂-4, C₆H₄ - NHAc - 3 - OH - 4, -C₆H₄ - (NH₂)₂ - 2,4, -C₆H₄ - NH₂ - 2 - NHPh - 4, -C₆H₄ - OH - 4 - HCO - 3; R₁ = R₂ = R₃ - H; R = -NH₂, -OH, R₄ = -N = N - Ar₂; Ar₂ = -C₆H₄ - COOH - 2 - (n - 4), -C₆H₄ - NO₂ - 4, -C₆H₄ - (NO₂)₂ - 2,4:
R₁ - R₄ - H; R = -NHN = CPh R₅, R₅ - H, COOH, -N = N - Ar₃,
Ar₃ = Ph, -C₆H₄NO₂ - 4,
в форме первичных измерительных преобразователей: полос шириной 8 - 16 мм и дисков 8 - 45 мм с удельной массой 60 - 240 г/м³. 2. Способ получения реагентных индикаторных бумажных тестов (РИБ-тестов) на основе хромогенных целлюлоз по п. 1 путем последовательной обработки эпоксидированной целлюлозы активными реагентами, отличающийся тем, что в качестве первичных активных реагентов используют бензидины общей формулы

где R₁ - R₄ - H, Me;
R₁ и R₂ - H;
R₃ и R₄ = Me; DMe.